非晶硅太阳能电池研究毕业论文

非晶硅太阳能电池研究毕

业论文

Final approval draft on November 22, 2020

非晶硅太阳能电池

赵准

（吉首大学物理与机电工程学院，湖南吉首 416000）

摘要：随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化．使得人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源。其中包括水能、风能和太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势使其必将成为21世纪的最主要能源之一。太阳是一个巨大的能源，其辐射出来的功率约为其中有被地球截取，这部分能量约有的能量闯过大气层到达地面，在正对太阳的每一平方米地球表面上能接受到1kw左右的能量。

目前分为光热发电和光伏发电两种形式。太阳能热发电是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将一定的工质加热到较高的温度（通常为几百摄氏度到上千摄氏度），然后通过常规的热机动发电机发电或通过其他发电技术将其转换成电能。光伏发电是利用界面的而将光能直接转变为电能的一种技术。目前光—电转换器有两种：一种是光—伽伐尼电池，另一种是光伏效应。由一个或多个太阳能电池片组成的太阳能电池板称为光伏组件，将光伏组件串联起来再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。因为光伏发电规模大小随意、能独立发电、建设时间短、维护起来也简单．所以从70年代开始光伏发电技术得到迅速发展，日本、德国、美国都大力发展光伏产业，他们走在了世界的前列，我国在光伏研究和产业方面也奋起直追，现在以每年20％的速度迅速发展。

关键词：光伏发电；太阳能电池；硅基太阳能电池；非晶硅太阳能电池

1.引言

1976年卡尔松和路昂斯基报告了无定形硅（简称a一Si）薄膜太阳电他的诞生。当时、面积样品的光电转换效率为2．4％。时隔20多年，a一Si太阳电池现在已发展成为最实用廉价的太阳电池品种之一。非晶硅科技已转化为一个大规模的产业，世界上总组件生产能力每年在50MW以上，组件及相关产品销售额在10亿美元以上。应用范围小到手表、计算器电源大到10Mw级的独立电站。涉及诸多品种的电子消费品、照明和家用电源、农牧业抽水、广播通讯台站电源及中小型联网电站等。a一Si太阳电池成了光伏能源中的一支生力军，对整个洁净可再生能源发展起了巨大的推动作用。非晶硅太阳电他的诞生、发展过程是生动、复杂和曲折的，全面总结其中的经验教训对于进一步推动薄膜非晶硅太阳电池领域的科技进步和相关高新技术产业的发展有着重要意义。况且，由于从非晶硅材料及其太阳电池研究到有关新兴产业的发展是科学技术转化为生产力的典型事例，其中的规律性对其它新兴科技领域和相关产业的发展也会有有益的启示。本文将追述非晶硅太阳电他的诞生、发展过程，简要评述其中的关键之点，指出进一步发展的方向。

2.太阳能电池概述

.太阳能电池原理

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能的装置。太阳能电池以光电效应工作的结晶体太阳能电池和薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物

体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

为了理解太阳能电池的运做，我们需要考虑材料的属性并且同时考虑太阳光的属性。太阳能电池包括两种类型材料，通常意义上的P型硅和N型硅。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体掺杂了能俘获电子的硼、铝、镓、铟等杂质元素，那么就构成P型半导体。如果在硅晶体面中掺入能够释放电子的磷、砷、锑等杂质元素，那么就构成了N型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交接面处便会形成PN结，并在结的两边形成内建电场。太阳光照在半导体 p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n 区流向p区，电子由p区流向n 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应，也是太阳能电池的工作原理。

太阳能电池种类

太阳能电池的种类有很多，按材料来分，有硅基太阳能电池（单晶，多晶，非晶），化合物半导体太阳能电池（砷化镓（GaAs），磷化铟（InP），碲化镉（CdTe）, 铜铟镓硒（CIGS）），有机聚合物太阳能电池(酞青，聚乙

炔)，染料敏化太阳能电池，纳米晶太阳能电池；按结构来分，有体结晶型太阳能电池和薄膜太阳能电池。

3.硅基太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池

开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，其实早在70年代初，Carlson 等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作，近几年它的研制工作得到了迅速发展，目前世界上已有许多家公司在生产该种电池产品。

非晶硅半导体材料的最基本特征是组成原子的排列为长程无序、短程有序，原子的键合类似晶体硅，形成一种共价无规网状结构。这结构，不是无规理想的网络模型，其中含有一定量的结构缺陷、悬挂键、断键和空洞等。非晶硅电池的工作原理与单晶硅电池类似，都是利用半导体的光生伏特效应实现光电转换。与单晶硅电池不同的是，非晶硅电池光生载流子只有漂移运动而无扩散运动，原因是由于非晶硅结构中的长程无序和无规网络引起的极强散射作用，使载流子的扩散长度很短。如果在光生载流子的产生处或附近没有电场存在，则光生载流子受扩散长度的限制，将会很快复合而不能吸收。为能有效地收集光生载流子，将电

池设计成为pin型，其中p层是入射光层，i层是本征吸收层，处在p和n产生的内建电场中。当入射光通过p+层进入i层后，产生电子-空穴对，光生载流子一旦产生后就由内建电场分开，空穴漂移到p+边，电子飘移到n 边，形成光生电流和光生电压。

非晶硅光学带隙为, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S-W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的途径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n 层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。

非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，衬底可以为玻璃、不锈钢、特种塑料、陶瓷等（图为非晶硅薄膜电池结构的示意图）。玻璃衬底的非晶硅电池，光从玻璃面入射，电池的电流从透明导电膜（TCO）和铝电极引出。不锈钢衬底的非晶硅电池与单晶硅电池类似，在透明导电膜上制备梳状银电极，电池的电流从银电极和不锈钢引出。双叠层的结构有两种：一种是两层结构使用相同的非晶硅材料；一种是上层使用非晶硅合金，下层使用非晶硅锗合金，以增加对长波光的吸收；上层使用宽能隙的非晶硅合金做本征层，以吸收蓝光光子；中间层用含锗约15%的中等带隙的非晶硅锗合金，以吸收红光。三叠层的结构与双叠层的结构类似。